JP2010073383A - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の給電部それぞれから放射されるマイクロ波を最適に結合させて、被加熱物を所望の状態に加熱する。
【解決手段】加熱室１０の底壁面１３の略中央に加熱室の外側に向かって凸とした略四角形の凸部１６を形成し、凸部１６の各側壁面に給電部１７ａ〜１７ｄを配する。マイクロ波発生手段２０から各給電部１７ａ〜１７ｄに供給されるマイクロ波の位相は制御部３１が制御する。各給電部１７ａ〜１７ｄから放射されたマイクロ波は、凸部１６内で衝突し結合して、位相変化に応じた特有の放射分布を形成する。この放射分布を利用して凸部１６上方に載置された被加熱物を所望の状態に加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の給電部を備えたマイクロ波加熱装置に関するものである。

従来のこの種のマイクロ波加熱装置は、一般には直方体形状の加熱室で構成され、一つあるいは複数の給電部を備えている。複数の給電部の構成としては、給電部を加熱室の上壁面と底壁面に設け、専用のマイクロ波発生部からそれぞれの給電部に、マイクロ波を供給したものがある。

また、被加熱物の加熱の均一化を促進することを狙いとして加熱室を６面以上の多面体に形成し、各壁面の一部あるいは全部の面から給電部である放射アンテナを加熱室内に突出して配置したものがある（たとえば、特許文献１参照）。

そして、互いの放射アンテナを異なる面に配したことで、互いの干渉を防止できるとしている。さらには、放射アンテナがそれぞれ異なる方向を向いているので、放射された電波は加熱室内のあらゆる方向に伝搬し、壁面にて反射して散乱するため、加熱室内で電波は均一に分布するとしている。

また、複数のマイクロ波発生部を加熱室壁面に分散配置し、これらのマイクロ波発生部のうち少なくとも二つの壁面に配したマイクロ波発生部を時分割動作させるものがある（たとえば、特許文献２参照）。そして、動作させるために選択したマイクロ波発生部を時分割動作させることで、干渉によるマイクロ波発生部の破壊を防止し、同時動作させることができるとしている。また、直交関係にある壁面に配置したマイクロ波発生部は、加熱室とマイクロ波発生部との結合を適当に選ぶことで、互いに干渉しないように励振させることができ、同時発振が可能であるとしている。

また位相器を備えたものとして、半導体発振部と、半導体発振部の出力を複数に分割する分配部と、分配部で分配された出力をそれぞれ増幅する複数の増幅部と、この増幅部の出力を合成する合成部とを有し、分配部と増幅部との間に位相器を設けたものがある（たとえば、特許文献３参照）。

そして、位相器はダイオードのオンオフ特性によりマイクロ波の通過線路長を切り替える構成としている。また、合成部は９０度および１８０度ハイブリッドを用いることで合成部の出力を２つにすることができ、位相器を制御することで２出力の電力比を変化させたり、２出力間の位相を同相あるいは逆相にしたりできるとしている。

また、この種のマイクロ波加熱装置は、一般には電子レンジに代表されるようにマイクロ波発生部にマグネトロンと称される真空管を用いている。
特開昭５２−１９３４２号公報 特開昭５３−５４４５号公報 特開昭５６−１３２７９３号公報

しかしながら、前記従来の複数給電部は、各給電部間の干渉を回避させるように配置させたものであり、それぞれの給電部から放射されたマイクロ波は放射方向がそれぞれ異なっているが、加熱室壁面での反射に伴う散乱およびその散乱したマイクロ波が壁面にぶつ
かってさらに散乱という繰返しにより広範囲の散乱になるので、他の放射アンテナから放射されたマイクロ波からの干渉を防止することは不可能である。

また、加熱室壁面に複数のマイクロ波発生部を配置させ、それらを時分割動作させるものにあっては、どのような結合形態であれば、相互干渉を回避できるかの詳細な説明はないが、直交関係の壁面に配置した場合に同時発振が可能であると記載されている。

さらに、位相器を備えたものにおいては、合成部の２つの出力から放射されるマイクロ波は、位相器によって位相を変化させることで、２つの放射アンテナからの放射電力比や位相差を任意にかつ瞬時に変化させることは可能だけれども、その放射によってマイクロ波が供給される加熱室内に収納された、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱することは難しい課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、複数の給電部それぞれから放射されるマイクロ波を最適に結合させることで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱するマイクロ波加熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロ波加熱装置は、供給されるマイクロ波を閉じ込める加熱室のひとつの壁面に加熱室の外側に向かって略四角形の凸部を設け、前記凸部の各側壁面にマイクロ波の給電部を配した構成からなるものであり、それぞれの給電部から放射されるマイクロ波は凸部で衝突して結合し、その結合形態を保って加熱室内に放射させることができ、加熱室内に収納する被加熱物を効率よく加熱する装置を提供できる。

本発明のマイクロ波加熱装置は、複数の給電部それぞれから放射されるマイクロ波を最適に結合させることで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱するマイクロ波加熱装置を提供することができる。

第１の発明は、供給されるマイクロ波を閉じ込める加熱室のひとつの壁面に加熱室の外側に向かって略四角形の凸部を設け、前記凸部の各側壁面にマイクロ波の給電部を配した構成からなるものであり、それぞれの給電部から放射されるマイクロ波は凸部で衝突して結合し、その結合形態を保って加熱室内に放射させることができ、加熱室内に収納する被加熱物を効率よく加熱する装置を提供できる。

第２の発明は、特に第１の発明の給電部において、対向する給電部間の距離を供給されるマイクロ波の波長の１／２波長以上とした構成からなり、これにより給電部間の干渉を緩和させるとともに、対向する給電部から放射されるマイクロ波を効果的に結合させることができる。

第３の発明は、特に第１の発明の凸部の中心は配置された加熱室壁面の略中央部とした構成からなり、これにより加熱室の左右、前後、上下のそれぞれの方向に、マイクロ波を拡散放射させることができる。

第４の発明は、特に第１の発明の給電部に供給するマイクロ波の位相を可変する位相可変器とその制御部を備えた構成からなり、これにより複数の給電部からそれぞれ放射したマイクロ波の結合形態を変化させることができ、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱したり、加熱の均一化を促進させることができる。

第５の発明は、特に第１の発明の給電部は矩形形状の開口とし、給電部にマイクロ波を伝送する導波管をそれぞれ備えたものであり、これにより給電部からの放射方向を規定するとともに、導波管を緩衝部材として作用させて、給電部に効率よくマイクロ波を伝送させることができる。

第６の発明は、特に第１の発明の凸部は、加熱室の底壁面に配置し、底壁面と所定の間隙をもって配置されるとともに、被加熱物を載置する載置台を備えたものであり、これにより凸部から所定の間隔をもって載置された被加熱物の特定部分の加熱を促進したり、被加熱物全体を所望の状態に加熱することをより促進したりすることができる。

第７の発明は、特に第１の発明のマイクロ波が供給される給電部を選択する給電部選択手段を備えたものであり、これにより複数の被加熱物の同時加熱、あるいは被加熱物の特定部分の加熱をより促進させることができる。

第８の発明は、特に第１から第７のいずれか一項の発明の給電部に供給するマイクロ波は、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生手段としたものであり、これにより複数の給電部を備える装置をコンパクトに形成できるとともに、各給電部間の位相差を広範囲に可変させることを可能にし、利便性をさらに高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置のブロック図、図２は、同マイクロ波加熱装置のマイクロ波供給系のブロック図である。

図１および図２において、本発明のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収納する略直方体構造からなる加熱室１０を有し、加熱室１０は金属材料からなる左壁面１１、右壁面１２、底壁面１３、上壁面１４、奥壁面１５および被加熱物を加熱室１０内に収納するために開閉する開閉扉（図示していない）から構成され、供給されるマイクロ波を内部に閉じ込めるように構成している。

底壁面１３には、底壁面１３の略中央（点Ａ）を中心として、加熱室１０の外側方向に突出した略四角形の凸部１６を設けている（加熱室１０内から見ると凹部）。凸部１６の４つの側壁面には、それぞれ矩形形状の開口からなる給電部１７ａ〜１７ｄを配設している。そしてこれら給電部１７ａ〜１７ｄを末端とし、給電部１７ａ〜１７ｄにそれぞれマイクロ波を伝送させる導波管１８ａ〜１８ｄを配する。導波管１８ａ〜１８ｄの給電部１７ａ〜１７ｄとは反対側の端部近くに、導波管１８ａ〜１８ｄにマイクロ波を放射する放射部１９ａ〜１９ｄを配設している。

また、放射部１９ａ〜１９ｄにマイクロ波を供給するマイクロ波供給系であるマイクロ波発生部２０は、半導体素子を用いて構成した発振部２１、発振部２１の出力を４分配する２段構成からなる３つの電力分配部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、分配部２２ｂ、２２ｃのそれぞれの出力を後段の半導体素子を用いて構成した初段増幅部２３ａ〜２３ｄに導くマイクロ波伝送路２４ａ〜２４ｄ、初段増幅部２３ａ〜２３ｄのそれぞれの出力をさらに増幅する半導体素子を用いて構成した主増幅部２５ａ〜２５ｄ、主増幅部２５ａ〜２５ｄの出力をマイクロ波発生部２０の出力部２６ａ〜２６ｄに導くマイクロ波伝送路２７ａ〜２７ｄ、マイクロ波伝送路２７ａ〜２７ｄに挿入した電力検知部２８ａ〜２８ｄとで構成している。マイクロ波発生部２０の４つの出力は、同軸伝送手段２９ａ〜２９ｄを介して放
射部１９ａ〜１９ｄにそれぞれ伝送される。

放射部１９ａ〜１９ｄは、同軸伝送手段２９ａ〜２９ｄの中心導体を突出させて構成している。給電部１７ａ〜１７ｄにおいて、対向する給電部１７ａ、１７ｂ、給電部１７ｃ、１７ｄの間のそれぞれの距離（図中凸部１６内の両端矢印で示す）は、供給されるマイクロ波の波長の１／２波長以上としている。

なお、構成要素として給電部１７ａ〜１７ｄへのマイクロ波の伝送効率を高めるために、導波管１８ａ〜１８ｄの内部にインピーダンス整合素子を付帯させる場合もある。

初段増幅部２３ａ〜２３ｄおよび主増幅部２５ａ〜２５ｄは、低誘電損失材料から構成した誘電体基板の片面に形成した導電体パターンにて回路を構成し、各増幅部の増幅素子である半導体素子を良好に動作させるべく、各半導体素子の入力側と出力側にそれぞれ整合回路を配している。

マイクロ波伝送路２４ａ〜２４ｄ、２７ａ〜２７ｄは、誘電体基板の片面に設けた導電体パターンによって、特性インピーダンスが略５０Ωの伝送回路を形成している。電力分配部２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、それぞれ同一構造のウイルキンソン型の分配器構成としている。電力分配部２２を２段接続した構成により、発振部２１の出力電力は、略１／４ずつ分配されるとともに、電力分配部２２の４つの出力端でのそれぞれのマイクロ波の位相が、略同相として、後続の初段増幅部２３ａ〜２３ｄに出力される。

また、マイクロ波伝送路２４ａ〜２４ｄには、それぞれ位相可変器３０ａ〜３０ｄを挿入している。この位相可変器３０ａ〜３０ｄは、印加電圧に応じて容量が変化する容量可変素子を用いて構成し、位相可変範囲は、０度から略１８０度の範囲としている。

また、電力検知部２８ａ〜２８ｄは、加熱室１０側からマイクロ波発生部２０側にそれぞれ伝送する反射波の電力いわゆる反射電力を抽出するものであり、電力結合度を例えば約４０ｄＢとし、反射電力の約１／１００００の電力量を抽出する。この電力信号はそれぞれ、検波ダイオード（図示していない）で整流化しコンデンサ（図示していない）で平滑処理し、その出力信号を制御部３５に入力させている。

制御部３１は、使用者が直接入力する被加熱物の加熱条件（矢印３２）、あるいは加熱中に被加熱物の加熱状態から得られる加熱情報（矢印３３）と、電力検知部２８ａ〜２８ｄからの検知情報に基づいて、マイクロ波発生部２０の構成要素である発振部２１と、初段増幅部２３ａ〜２３ｄと、主増幅部２５ａ〜２５ｄのそれぞれに供給する駆動電力の制御や、位相可変器３０ａ〜３０ｄに供給する電圧を制御し、加熱室１０内に収納された被加熱物を最適に加熱する。

また、マイクロ波発生部２０には半導体素子の発熱を放熱させる放熱手段（図示していない）を配する。なお、加熱室１０の底壁面１３に設けた凸部１６の加熱室１０内側の内部空間を覆うとともに、被加熱物を収納載置する低誘電損失材料からなる載置台３４を凸部１６と所定の間隙を持たせて配する。

以上のように構成されたマイクロ波加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、開閉扉を利用して被加熱物を加熱室１０に収納し、その加熱条件を操作部（図示していない）から入力し、加熱開始キーを押す。加熱開始信号３２を受けた制御部３１の制御出力信号により、マイクロ波発生部２０が動作を開始する。制御手段３１は、駆動電
源（図示していない）を動作させて、発振部２１に電力を供給する。この時、発振部２１の初期の発振周波数は、例えば２４５０ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。

発振部２１を動作させると、その出力は電力分配部２２ａにて略１／２分配され、後続の電力分配器２２ｂ、２２ｃにてさらに略１／２分配され、４つのマイクロ波電力信号となる。以降、駆動電源を制御して初段増幅部２３ａ〜２３ｄを動作させ、次に主増幅部２５ａ〜２５ｄを動作させる。

そして、それぞれのマイクロ波電力信号は並列動作する初段増幅部２３ａ〜２３ｄ、主増幅部２５ａ〜２５ｄ、電力検知部２８ａ〜２８ｄを経て、出力部２６ａ〜２６ｄにそれぞれ出力される。そして、それぞれの出力は放射部１９ａ〜１９ｄに伝送され、導波管１８ａ〜１８ｄをそれぞれ伝送し、給電部１７ａ〜１７ｄより加熱室１０内に放射される。このときの各主増幅部２５ａ〜２５ｄは、それぞれ１００Ｗ未満、例えば５０Ｗのマイクロ波電力を出力する。

加熱室１０内に供給されるマイクロ波電力が、被加熱物に１００％吸収されると、加熱室１０からの反射電力は無しになるが、被加熱物の種類・形状・量が被加熱物を含む加熱室１０の電気的特性を決定し、マイクロ波発生部２０の出力インピーダンスと加熱室１０のインピーダンスとに基づいて、加熱室１０側からマイクロ波発生部２０側に伝送する反射電力が生じる。

電力検知部２８ａ〜２８ｄは、マイクロ波発生部２０側に伝送する反射電力と結合し、その反射電力量に比例した信号を検出するものであり、その検出信号を受けた制御部３１は、各電力検知部２８ａ〜２８ｄから出力された反射電力に対応する信号の総和が、極小値となる発振周波数の選択を行う。この周波数選択に対して、制御部３１は、発振部２１の発振周波数を初期の２４５０ＭＨｚから０．１ＭＨｚピッチ（例えば、１０ミリ秒で１ＭＨｚ）で低い周波数側に変化させ、周波数可変範囲の下限である２４００ＭＨｚに到達すると１ＭＨｚピッチで周波数を高く変化させ、２４５０ＭＨｚに到達すると再び０．１ＭＨｚピッチで周波数可変範囲の上限である２５００ＭＨｚまで高くする。

この周波数可変の中で得られた反射電力に相当する信号の総和が極小となる周波数と、その周波数における反射電力に相当する信号を記憶する。そして、反射電力に相当する信号の総和が極小をとる周波数群において、反射電力に相当する信号が最も小さい周波数を選定し、発振部２１をその選定した周波数が発振するように制御するとともに、発振出力を入力された加熱条件に対応した出力が得られるように制御する。これにより、各主増幅部２５ａ〜２５ｄは、それぞれ２００Ｗから３００Ｗのマイクロ波電力を出力する。

そして、それぞれの出力は放射部１９ａ〜１９ｄに伝送され、給電部１７ａ〜１７ｄより加熱室１０内に放射される。このとき、給電部１７ａから放射されるマイクロ波信号の位相を基準にすると、その他の給電部１７ｂ〜１７ｄより放射されるマイクロ波信号は、略同相の信号としている。

また、共通の発振部２１を発振源とし、マイクロ波伝送路２４ａ〜２４ｄにそれぞれ挿入した位相可変器３０ａ〜３０ｄに印加する電圧を制御することで、対向および／または近接した給電部１７ａ〜１７ｄから放射するマイクロ波のそれぞれの位相差を最大で逆相（１８０度差）にすることで、４つの給電部から放射されるマイクロ波の結合状態が変化し、加熱室１０内のマイクロ波の伝搬状態を時間的に変化させ、被加熱物の局所加熱の解消をし、加熱の均一化を促進することができる。

この各給電部１７ａ〜１７ｄの位相差制御としては、上述したすべと同相とする制御のほかに、例えば、隣接する二組の給電部を同じ位相として、この二組の給電部の間で位相差を変化させる方法、対向する二組の給電部を同じ位相としてこの対向する二組の給電部の間で位相差を変化させる方法、あるいはいずれか一つの給電部のみ位相を変化させる方法の制御を行ってよい。これらの制御は、一つの被加熱物の加熱における加熱進捗情報や複数の被加熱物の同時加熱における各被加熱物の加熱進捗情報に基づいて選択してよい。

なお、本実施の形態においては、位相可変器３０ａ〜３０ｄは、すべてのマイクロ波伝送路２４ａ〜２４ｄに挿入したが、対向する給電部のいずれかひとつに対応するマイクロ波伝送路２４ａ〜２４ｄに挿入し、それぞれを個別かつ時間的に制御することで、複数の給電部１７ａ〜１７ｄから放射されるマイクロ波の位相の組合せを変化させる構成としてもよい。

また、電力検知部２８ａ〜２８ｄの検知信号に基づいて、反射電力量が少なくなるように位相可変器３０ａ〜３０ｄへの印加電圧を制御することで、加熱の効率を高くでき短時間加熱を図ることもできる。電力検知部２８ａ〜２８ｄが検知する反射電力量が、所定の最大許容反射電力量を超える場合には、制御部３１は発振出力を低下させるように発振部２１あるいは初段増幅部２３ａ〜２３ｄおよび主増幅部２５ａ〜２５ｄへの供給電力を低減させて、各半導体素子の熱破壊を回避させてもよい。

そして、略四角形の凸部１６を設け、凸部１６の各側壁面にマイクロ波の給電部１７ａ〜１７ｄを配した構成により、それぞれの給電部１７ａ〜１７ｄから放射されるマイクロ波は凸部１６で衝突して結合し、その結合形態を保って加熱室１０内に放射させることができ、加熱室１０内に収納する被加熱物を効率よく加熱する装置を提供できる。

また、給電部１７ａ〜１７ｄに供給するマイクロ波の位相を可変する位相可変器３０ａ〜３０ｄとその制御部３１を備えた構成により、複数の給電部１７ａ〜１７ｄからそれぞれ放射したマイクロ波は凸部１６内でそれぞれ衝突して結合し、各給電部１７ａ〜１７ｄ間の位相差に対応したマイクロ波放射分布を形成する。このマイクロ波の結合形態の変化を制御することで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱したり、加熱の均一化を促進したりできる。

また、凸部１６での位相差に応じた結合に伴うマイクロ波放射分布に対して、複数の給電部１７ａ〜１７ｄを配した凸部１６と所定の間隙をもって載置台３４を配置させることで、凸部１６から所定の間隔をもって載置台３４の上に載置した被加熱物の特定部分の加熱を促進したり被加熱物全体を所望の状態に加熱することをより促進したりできる。

さらに、位相可変器を制御して対象の給電部から放射されるマイクロ波の位相を時間的に変化させることにより他の給電部から出力されるマイクロ波との位相差を時間的に変化させ加熱室１０内のマイクロ波分布を変化させて被加熱物の加熱の均一化をより促進させることができる。

また、給電部１７ａ〜１７ｄにおいて対向する給電部間の距離を供給されるマイクロ波の波長の１／２波長以上とした構成により、給電部１７ａ〜１７ｄ間の干渉を緩和させるとともに、対向あるいは隣接する給電部１７ａ〜１７ｄから放射されるマイクロ波を効果的に結合させることができる。そしてマイクロ波の周波数を２４５０ＭＨｚ帯とした場合、この対向する給電部間の距離としては、好ましくは８０ｍｍ〜１４０ｍｍ程度がよい。またこの距離の選択は、加熱室１０の容積や凸部１６を配する加熱室１０壁面の面積に応じ、それらが大きいほど長い距離を選択することで加熱室１０全体に所望のマイクロ波放射分布を供給させることができる。

また、凸部１６の中心は配置された加熱室１０壁面の略中央部とした構成により、加熱室１０の左右、前後、上下のそれぞれの方向にマイクロ波を拡散放射させることができる。

また、給電部１７ａ〜１７ｄは矩形形状の開口とし、各給電部１７ａ〜１７ｄにマイクロ波を伝送する導波管１８ａ〜１８ｄをそれぞれ備えたことにより、給電部１７ａ〜１７ｄからの放射方向を規定するとともに、導波管１７ａ〜１７ｄを緩衝部材として作用させて、給電部１７ａ〜１７ｄに効率よくマイクロ波を伝送させることができる。

（実施の形態２）
図３は本発明の第２の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置のマイクロ波伝送系のブロック図である。

図３において、実施の形態１と同一部材あるいは同一機能部材は同一番号にて示すとともに説明は省略する。第２の実施の形態が実施の形態１と相違する点は、給電部選択手段４０ａ、４０ｂを用いた点である。

すなわち図３において、マイクロ波発生部４１は、半導体素子を用いて構成した発振部２１と、発振部２１の出力を２分配する電力分配部２２ａと、電力分配部２２ａのそれぞれの出力を後続の給電部選択手段４０ａ、４０ｂに導くマイクロ波伝送路４２ａ、４２ｂと、給電部選択手段４０ａ、４０ｂのそれぞれの切換端子４０１ａ〜４０１ｄと半導体素子を用いて構成した初段増幅部２３ａ〜２３ｄの入力端とを接続したマイクロ波伝送路４３ａ〜４３ｄと、初段増幅部２３ａ〜２３ｄのそれぞれの出力をさらに増幅する半導体素子を用いて構成した主増幅部２５ａ〜２５ｄと、主増幅部２５ａ〜２５ｄの出力をマイクロ波発生部４１の出力部２６ａ〜２６ｄに導くマイクロ波伝送路２７ａ〜２７ｄと、マイクロ波伝送路２７ａ〜２７ｄに挿入した電力検知部２８ａ〜２８ｄとで構成している。

また、被加熱物を収納する略直方体構造からなる加熱室１０を有し、加熱室１０は金属材料からなる左壁面１１、右壁面１２、底壁面１３、上壁面１４、奥壁面１５および被加熱物を収納するために開閉する開閉扉（図示していない）から構成し、供給されるマイクロ波を内部に閉じ込めるように構成している。そして、マイクロ波発生部４１の４つの出力部にそれぞれ接続された放射部１９ａ〜１９ｄが加熱室１０を構成する底壁面１３に付設した導波管１８ａ〜１８ｄの一端側に配置されている。この導波管１８ａ〜１８ｄの他端には給電部１７ａ〜１７ｄがそれぞれ配設され、給電部１７ａと給電部１７ｂ、給電部１７ｃと給電部１７ｄは、それぞれ対向して配置されている。

そして、給電部切換手段４０ａによって加熱室１０内にマイクロ波を供給する給電部である給電部１７ａと給電部１７ｂとが切換選択される。また、給電部切換手段４０ｂによって、加熱室１０内にマイクロ波を供給する給電部である給電部１７ｃと給電部１７ｄとが切換選択される。

発振部２１の出力電力は、電力分配部２２ａにより略１／２ずつ分配され、マイクロ波伝送路４２ａ、４２ｂを伝送して後続の増幅部選択手段４０ａ、４０ｂに入力する。給電部選択手段４０ａ、４０ｂは、後続される初段増幅部２３ａ〜２３ｄ（および主増幅部２５ａ〜２５ｄ）の中で、マイクロ波を伝送する増幅部を選択するものである。そして、給電部選択手段４０ａ、４０ｂを制御することにより、マイクロ波信号が伝送するマイクロ波伝送路４３ａ〜４３ｄがそれぞれ選択され、選択されたマイクロ波伝送路に接続した増幅部に駆動電力を供給することで、マイクロ波信号は増幅され、増幅したマイクロ波電力信号が選択された増幅部に接続した放射部１９ａ〜１９ｄ、導波管１８ａ〜１８ｄを介し
て給電部１７ａ〜１７ｄより、凸部１６内にマイクロ波が放射され、凸部１６内で結合したマイクロ波は、その結合形態に応じて放射分布でもって加熱室１０内に放射供給される。

また、電力分配部２２ａの出力にそれぞれ接続したマイクロ波伝送路４２ａ、４２ｂを伝送するマイクロ波信号は同相である。そしてマイクロ波伝送路４２ａには、位相可変器３０を挿入している。この位相可変器３０は、印加電圧に応じて容量が変化する容量可変素子を用いて構成し、位相可変範囲は、０度から略１８０度の範囲としている。

この位相可変器３０を制御することで、最終的に加熱室１０内に放射されるマイクロ波は、給電部１７ｃまたは給電部１７ｄから放射されるマイクロ波の位相を基準にすると給電部１７ａまたは給電部１７ｂから放射されるマイクロ波の位相が同相から略１８０度遅れた信号となって放射される。

以上のように構成されたマイクロ波加熱装置について、以下その動作と作用を説明する。

被加熱物の加熱開始時の発振周波数の選択に係る諸動作は、実施の形態１と同様であり、その動作説明は省略する。

開閉扉を利用して被加熱物を加熱室１０に収納し、その加熱条件を操作部（図示していない）から入力し、加熱開始キーを押すことで、加熱条件や加熱開始信号（図３の３２）を受けた制御部３１の制御出力信号によりマイクロ波発生部４１が動作を開始する。制御部３１は、入力された加熱条件に基づいて給電部選択手段４０ａ、４０ｂを制御し、加熱開始時に動作させる増幅部を決定する。その後、発振部２１に駆動電力を供給し、所望の発振周波数のマイクロ波を発振させる。以降、給電部選択手段４０ａ、４０ｂが選択した増幅部の初段増幅部を動作させ、次に主増幅部を動作させる。

これにより、各主増幅部２５ａ〜２５ｄは、それぞれ２００Ｗから５００Ｗのマイクロ波電力を出力し、動作開始初期の位相差は０度である。そして選択された増幅部に接続された放射部、導波管を介して給電部から被加熱物が収納された加熱室１０内にマイクロ波が供給放射される。

例えば、加熱初期に選択されたマイクロ波を放射する給電部が給電部１７ａおよび給電部１７ｃとした場合、これらの給電部１７ａ、１７ｃから同相にて放射されたマイクロ波により、加熱室１０の略中央部から左壁面１１側にマイクロ波の電界集中領域が形成される。加熱室１０に形成された電界集中領域により、被加熱物が載置台３４の略中央に収納された場合には、被加熱物の略中央から左寄りが強く加熱される。

そして制御部３１は、被加熱物の加熱の均一化を図るために、適当な時間周期あるいは被加熱物の温度分布情報に基づいて、動作させる増幅部を切り替えたり、位相可変器の位相遅延量を制御する制御信号をマイクロ波発生部４１に出力したりする。動作させる増幅部を切替える制御信号により、切り替え対象の増幅部への駆動電力を停止し増幅部選択手段を作動させて動作させる増幅部の切り替えをする。切り替えが終わると対象の増幅部に電力を供給してその増幅部を動作させる。

この一連の動作を例えば、給電部１７ａを給電部１７ｂ、給電部１７ｃを給電部１７ｄに切り替える場合に当てはめて説明する。この給電部１７ａ〜１７ｄの切り替えは、被加熱物の略中央から右寄りの加熱を促進する目的で実施する。

そして、例えば被加熱物の表面温度を検出する手段を付加し、被加熱物の表面温度分布において、被加熱物の略中央から右寄りの領域における表面温度の最低温度が左寄りの領域における最高表面温度に比べて１０℃以上低いレベルに達した場合にこの切り替え指令を制御部３１が出力する。

この切り替え指令に基づいて、初段増幅部２３ａ、２３ｃおよび主増幅部２５ａ、２５ｃに供給している駆動電力を停止する。そして、給電部選択手段４０ａおよび４０ｂを制御し、コモン端子を端子４０１ｂおよび４０１ｄにそれぞれ接続する。その後、初段増幅部２３ｂ、２３ｄおよび主増幅部２５ｂ、２５ｄに順次駆動電力を供給する。この一連の制御動作により給電部１７ｂ、１７ｄからマイクロ波が加熱室１０内に供給される。このマイクロ波供給により、被加熱物は、その略中央より右寄りの領域が強く加熱され始める。

以上の一連の切り替え制御は、給電部１７ａと給電部１７ｂ、給電部１７ｃと給電部１７ｄとの間で、被加熱物の表面温度分布情報に基づいて、加熱中に適宜実施するものである。

また、マイクロ波伝送路４２ａに挿入した位相可変器３０に印加する電圧を制御することで、動作中の２つの給電部から放射されるマイクロ波の位相差を同相から略１８０度の間を連続的に可変制御することで、加熱室１０内のマイクロ波の伝搬状態を時間的に連続変化させ、被加熱物の局所加熱の解消をし、加熱の均一化をさらに促進することができる。

そして、被加熱物の表面温度検出手段の検知信号や手動入力された加熱時間情報に基づいて、加熱が終了制御される。

以上に説明した実施の形態２によれば、給電部選択手段４０ａ、４０ｂおよび／または位相可変器３０を制御して加熱室１０内にマイクロ波を供給する給電部を選択することで、被加熱物の特定部分の加熱を促進させたり、被加熱物全体を所望の状態に加熱させたりすることができる。

また、給電部選択手段４０ａ、４０ｂと位相可変器３０とを制御することで、対向しない給電部からそれぞれ供給されるマイクロ波に対して位相差を可変制御することもでき、加熱室１０内のマイクロ波分布をより変化させて被加熱物の加熱の均一化を促進させたり、被加熱物のより特定した部分の加熱を促進させたりすることができる利便性を提供できる。

以下に、本発明のマイクロ波加熱装置の詳細な制御例を図４、図５を用いて説明する。

以下の制御例においては、各主増幅部２５ａ〜２５ｄに供給する駆動電圧として、マイクロ波発生部２０、４１の定格出力に対して、１００％、９０％、７５％、６０％、１５％（これは第１の出力電力の発生時に使用する）の５段階の駆動電圧群を用意した場合を例に説明する。

まず、被加熱物を加熱室１０内の載置台３４の上に収納載置し、その加熱条件を操作部（図示していない）から入力し（ステップＳ１１）、加熱開始キーを押す。加熱開始信号を受けた制御部３１の制御出力信号によりマイクロ波発生部２０、４１を第１の出力電力、たとえば１００Ｗ未満、に設定して動作を開始する（Ｓ１１）。この時制御部３１は、マイクロ波発振部２１の初期の発振周波数は、例えば２４５０ＭＨｚに設定する信号を供給し、発振を開始させる。

以降、所定の駆動電源電圧を初段波増幅部２３ａ〜２３ｄに供給し、初段増幅部２３ａ〜２３ｄを動作させ、次に主増幅部２５ａ〜２５ｄに所定駆動電圧を供給し、主増幅部２５ａ〜２５ｄを動作させる。この時の各主増幅部２５ａ〜２５ｄに供給する駆動電圧は、主増幅部２５ａ〜２５ｄのそれぞれが、例えば５０Ｗのマイクロ波電力を出力する電圧である。また、位相可変器３０、３０ａ〜３０ｄは位相遅延０度に制御している。この結果、実施の形態１のマイクロ波発生部２０の４つおよび実施の形態２のマイクロ波発生部４１の２つの出力はそれぞれ位相差無しの状態となっている。

次にＳ１２では、マイクロ波発振部２１の発振周波数を初期の２４５０ＭＨｚから０．１ＭＨｚピッチ（例えば、１０ミリ秒で１ＭＨｚ）で低い周波数側に変化させ、周波数可変範囲の下限である２４００ＭＨｚに到達すると１ＭＨｚピッチで周波数を高く変化させ、２４５０ＭＨｚに到達すると再び０．１ＭＨｚピッチで周波数可変範囲の上限である２５００ＭＨｚまで変化させる。この周波数可変の中で電力検知器２８ａ〜２８ｄから得られる反射電力を記憶し、Ｓ１３に進む。Ｓ１３では、各電力検知器２８ａ〜２８ｄから得た反射電力の合計値が、最小となる周波数（ｆ１）を選定する。

次のＳ１４では、反射電力最小の周波数における各給電部が受ける反射電力値に基づいて、被加熱物を加熱実行する時に生じるマイクロ波増幅部のそれぞれの電力損失量（予め既定した駆動電圧および検出した反射電力量に対応して流れるであろう駆動電流の推定値に基づいて計算）を演算し、第１の規定値と比較する。この第１の規定値は、マイクロ波発生部に組み込まれた放熱構成に基づいて決定したマイクロ波増幅部の半導体素子が許容する最大熱損失量としている。なお、この規定値は、絶対値とする方法と、マイクロ波増幅部の出力に対する相対比率値とする方法のいずれでも構わない。

そして、各給電部の反射電力値に基づいて演算した加熱動作時の半導体素子の電力損失値と第１の規定値との比較において、規定値以下の場合はＳ１５に進む。一方、第１の規定値を超過している場合にはＳ１６に進み、第１の規定値以下になるように、各主増幅部２５ａ〜２５ｄに供給する駆動電圧を抽出する。この抽出にあたり、駆動電圧は、マイクロ波発生部２０、４１の定格出力に対して、１００％、９０％、７５％、６０％、１５％（これは第１の出力電力の発生時に使用する）の５段階の駆動電圧群を用意しており、この駆動電圧群の中から第１の規定値を超過することなく最大出力を発生できる駆動電圧が抽出される。なお、主増幅部２５ａ〜２５ｄごとに駆動電圧は最適選択する。この駆動電圧の抽出処理を終えるとＳ１５に進む。

Ｓ１５では、被加熱物の加熱条件から高速加熱か均一加熱仕上げかを判定し、均一加熱の場合はＳ１７に進み、高速加熱の場合はＳ２３に進む。

まず均一加熱の場合を説明する。

Ｓ１７では、マイクロ波発生部２０、４１を定格出力（または低減させた出力）である第２の出力電力を発生するように、主増幅部２５ａ〜２５ｄの駆動電圧を設定する。なお、この時の駆動電圧は、Ｓ１６を経由した処理の場合、Ｓ１６で決定した駆動電圧に設定される。

Ｓ１８では、Ｓ１３で抽出された発振周波数（ｆ１）と、Ｓ１７で決定された第２の出力電力とで、被加熱物の本加熱が開始される。

Ｓ１９では、被加熱物の均一加熱を行うために、位相可変器３０、３０ａ〜３０ｄをそれぞれ制御し、給電部から供給されるマイクロ波の位相差を変化させる。

Ｓ２０では、変化させた位相差の下で、各主増幅部２５ａ〜２５ｄの電力損失値が、上述の第１の規定値以下かどうかを判定する。第１の規定値以下の場合はＳ２１に進む。第１の規定値を超過している場合はＳ２２に進み、第１の規定値以下になるように、対象の主増幅部２５ａ〜２５ｄの駆動電圧を最適な駆動電圧に変更し、Ｓ２１に進む。

Ｓ２１では、被加熱物の仕上り程度を判定するものであり、たとえば赤外線量検出手段を備えるものにあっては、被加熱物の表面温度を抽出し、目標の仕上り温度に到達しているかどうかを比較判定する。目標温度未達の場合は、Ｓ１９に戻る。目標温度に到達しているとマイクロ波発生部２０、４１の動作を停止させて加熱を終了をする。

次に、高速加熱の場合を説明する。

Ｓ２３ではＳ１３で抽出された発振周波数（ｆ１）のもとで位相可変器３０、３０ａ〜３０ｄを制御して位相差を変化させ、この位相差可変制御において最小の反射電力を呈する位相差に位相可変器３０、３０ａ〜３０ｄを設定してＳ２４に進む。

Ｓ２４では、マイクロ波発生部２０、４１を定格出力（または低減させた出力）である第２の出力電力を発生するように主増幅部２５ａ〜２５ｄの駆動電圧を設定する。なお、この時の駆動電圧はＳ１６を経由した処理の場合は、Ｓ１６で決定した駆動電圧に設定される。

Ｓ２５では、Ｓ１３で抽出された発振周波数（ｆ１）と、Ｓ２３で設定された位相差とＳ２４で決定された第２の出力電力とで、被加熱物の本加熱が開始される。

Ｓ２６では各電力検出部および各温度検出部が検出した信号を制御部３１が取り込み、Ｓ２７に進む。Ｓ２７では主増幅部２５ａ〜２５ｄのそれぞれの電力損失量を演算する。また演算した電力損失量を第１の規定値（場合によっては後述する補正された第１の規定値）と比較し、第１の規定値以下かどうかを判定する。第１の規定値以下の場合はＳ３１に進む。第１の規定値を超過している場合は、Ｓ２８に進む。

Ｓ２８では、冷却能力を高めるために冷却ファン（図示していない）を動作させ、Ｓ２９に進む。Ｓ２９では、再び各電力検知部および各温度検出部が検出した信号を制御部３１が取り込み、Ｓ３０に進む。Ｓ３０では、主増幅部２５ａ〜２５ｄのそれぞれの電力損失量を演算する。また演算した電力損失量を第１の規定値（場合によっては後述する補正された第１の規定値）と比較し、第１の規定値以下かどうかを判定する。第１の規定値以下の場合はＳ３１に進む。第１の規定値を超過している場合は、Ｓ３２に進む。

Ｓ３２では、第１の規定値を超過した対象のマイクロ波増幅器の駆動電圧を制御し半導体素子が被る電力損失量を低減させる駆動電圧に設定し、Ｓ２９に進む。

そしてＳ３１では、被加熱物の仕上り程度を判定するものであり、例えば赤外線量検出手段を備えるものにあっては、被加熱物の表面温度を抽出し、目標の仕上り温度に到達しているかどうかを比較判定する。目標温度未達の場合は、Ｓ２６に戻る。目標温度に到達していると、マイクロ波発生部２０、４１の動作を停止させて、加熱を終了する。

以上、加熱制御内容について説明したが、個々の制御における作用について以下に述べる。周波数を変化させることにより、各給電部１７ａ〜１７ｄから被加熱物が収納された加熱室１０側を見たときの負荷インピーダンスを変化させることができる。そして、最適な周波数を選択することで各給電部１７ａ〜１７ｄからマイクロ波発生部２０、４１側を
見たときの電源インピーダンスに負荷インピーダンスを近づけることで、各給電部１７ａ〜１７ｄへの反射電力を低減できる。また各給電部１７ａ〜１７ｄから供給された複数のマイクロ波の位相差を変化させることで、それぞれのマイクロ波が加熱室１０底の凸部１６空間内でぶつかり合うタイミングや、被加熱物に入射して電力吸収されるタイミングが変化し、各給電部１７ａ〜１７ｄへの反射電力を変化させることができる。これらの制御を最適に組み合わせることで、各給電部１７ａ〜１７ｄから放射するマイクロ波のエネルギを効率よく被加熱物に集中供給、あるいは分散供給させることができる。

また、最適な発振周波数を抽出した後に、さらに位相可変器３０、３０ａ〜３０ｄを制御することで、より反射電力の少ない給電方法を抽出させている。これにより、マイクロ波発生部２０、４１の出力の低減を極力抑え、さらには冷却ファンを動作させて冷却能力をアップし、半導体素子を熱破壊から保護する中での最大出力電力を加熱室１０に供給して高速加熱を実現させている。

また、位相可変器３０、３０ａ〜３０ｄを電力分配部２２、２２ａと初段増幅部２３ａ〜２３ｄの間に設けた構成により、増幅部出力間、しいては各給電部１７ａ〜１７ｄから加熱室１０内に供給するマイクロ波の位相差を確実に制御させることができる。

また、マイクロ波発生部２０、４１の出力可変は、主増幅部２５ａ〜２５ｄの駆動電圧を可変制御させる構成をとることで、反射電力が第１の規定値を超過の場合は駆動電圧を低減して増幅器出力電力を低減し、増幅動作に伴う熱損失量を減少させるとともに、加熱室１０へ供給される電力が低減されることに付随して、反射電力も低減させることで増幅部の半導体素子が被る熱損失を許容最大値以下にして、装置の信頼性を確保することができる。

また、給電部１７ａ〜１７ｄに供給するマイクロ波は、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生手段としたものであり、これにより複数の給電部１７ａ〜１７ｄを備える装置をコンパクトに形成できるとともに、各給電部１７ａ〜１７ｄ間の位相差を広範囲に可変させることを可能にし、利便性をさらに高めることができる。

また、この駆動電圧の可変制御に当たっては、マイクロ波増幅部に用いる半導体素子としてノーマリーオン型の電界効果トランジスタを用いることで、電流が大きいドレイン電源系の制御に代えてゲート電源系を制御対象にしたことで、電圧可変部材を低電力部材で構成できるとともに制御に伴う回路のコンパクト化と制御の容易性を実現させることができる。

以上のように、本発明にかかるマイクロ波加熱装置は複数の給電部それぞれから放射されるマイクロ波を最適に結合させることで、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に加熱するマイクロ波加熱装置を提供できるので、電子レンジで代表されるような誘電加熱を利用した加熱装置や生ゴミ処理機、あるいは半導体製造装置であるプラズマ電源のマイクロ波電源などの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるマイクロ波加熱装置のブロック図 同マイクロ波加熱装置のマイクロ波供給系のブロック図 本発明の実施の形態２におけるマイクロ波加熱装置のマイクロ波供給系のブロック図 本発明の実施の形態１および２におけるマイクロ波加熱装置の制御フローチャート 本発明の実施の形態１および２におけるマイクロ波加熱装置の制御フローチャート

符号の説明

１０ 加熱室
１３ 底壁面
１６ 凸部
１７ａ〜１７ｄ 給電部
１８ａ〜１８ｄ 導波管
２０、４１ マイクロ波発生部
３０、３０ａ〜３０ｄ 位相可変器
３１ 制御部
３４ 載置台
４０ａ、４０ｂ 給電部選択手段
Ａ 加熱室壁面の略中央部

Claims (8)

1. マイクロ波発生部から供給されるマイクロ波を閉じ込める加熱室と、前記加熱室の一つの壁面に前記加熱室の外側に向かって略四角形の凸部を設け、前記凸部の各側壁面にマイクロ波の給電部を配した構成からなるマイクロ波加熱装置。
2. 給電部において対向する給電部間の距離を供給されるマイクロ波の波長の１／２波長以上とした請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
3. 凸部の中心は配置された加熱室壁面の略中央部と一致させた請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
4. 給電部に供給するマイクロ波の位相を可変する位相可変器と、前記位相可変器へ供給する電圧の制御部を備えた請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
5. 給電部は矩形形状の開口とし、給電部にマイクロ波を伝送する導波管をそれぞれ備えた請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
6. 凸部は、加熱室の底壁面に配置し、底壁面と所定の間隙をもって配置されるとともに被加熱物を載置する載置台を備えた請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
7. マイクロ波が供給される給電部を選択する給電部選択手段を備えた請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
8. 給電部に供給するマイクロ波は、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生手段とした請求項１から７のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。